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Antrieb für einen Hochspannungsleistungsschalter
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Die Erfindung betrifft einen Antrieb für einen Hochspannungsleistungsschalter
gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein derartiger Antrieb ist etwa aus der DE-OS 27 45 343 bekannt. Bei
diesem Antrieb wird beim Einschalten der Hauptkontakte Oel von einem an der Betätigungsstange
des Antriebs befestigten und in einem Zylinder geführten Kolben komprimiert. Das
komprimierte Oel treibt die in einer Kolben-Zylinder-Anordnung geführten beweglichen
Widerstandskontakte der Hilfsschaltstellen zweier Einschaltwiderstände gegen zwei
Druckfedern an und schaltet diese Widerstände einige msec früher als die Hauptkontakte
ein.
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Hierbei muss die gesamte Energie für die Bewegung der Haupt- und Hilfskontakte
sowie für das Aufladen der beim Ausschalten wirksamen Druckfedern von einem einzigen
Antrieb übernommen werden. Dieser Antrieb muss daher nicht nur verhältnismässig
gross ausgebildet sein, er ist ausserdem grossen Belastungen unterworfen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Antrieb der gattungsgemässen Art
zu schaffen, welcher sich bei grosser Zuverlässigkeit durch eine im Verhältnis zur
geschalteten Lei-
stung geringe Grösse auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen von Patentanspruch
1 angegebenen Merkmale gelöst. Ein derartiger Antrieb lässt sich auch bei Verwendung
in Hochspannungsleistungsschaltern höchster Leistung äussert platzsparend und preiswert
ausbilden und zeichnet sich neben einfacher Montage, leichter Wartung und hoher
Lebensdauer vor allem auch dadurch aus, dass er grosse Kontakthübe ermöglicht. Dies
begünstigt seine Verwendung als Antrieb für Schalter mit Haupt- und Widerstandskontakten
in Netzen mit Spannungen von 800 kV und mehr.
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Hydraulische Antriebe für Hochspannungsleistungsschalter sind zwar
schon lange bekannt und etwa in der DE-OS 29 48 379 beschrieben, jedoch dienen diese
Antriebe lediglich zum Schalten der Hauptkontakte.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
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Hierbei zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäss ausgeführten
Anstriebs für einen Hochspannungsleistungsschalter mit einem Einschaltwiderstand,
und Fig. 2 ein Weg (s)-Zeit (t)-Diagramm der vom Antrieb gemäss Fig. 1 bewegten
Kontakte bei einer CO-Schaltung des Hochspannungsleistungsschalters.
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In dem in Fig. 1 dargestellten hydraulischen Antrieb ist Hydraulik
flüssigkeit hohen Druckes schwarz und Hydraulikflüssigkeit niederen Druckes weiss
dargestellt. Dieser Antrieb ist für die Hauptkontakte 1, 2 und die Widerstandskontakte
3,
4 eines nicht dargestellten und sich in der Ausschaltstellung befindenden Hochspannungsleistungsschalters
mit einem Einschaltwiderstand 5 vorgesehen. Er weist zwei Kolben-Zylinder-Anordnungen
6 bzw. 7 mit jeweils einem Hydraulikzylinder 8 bzw. 9 und jeweils einem Differentialkolben
10 bzw. 11 auf. Der Differentialkolben 10 ist über eine Kolbenstange 12 mit dem
beweglichen der beiden Hauptkontakte 1, 2, der Differentialkolben 11 über eine Kolbenstange
13 mit dem beweglichen der beiden Widerstandskontakte 3, 4 kraftschlüssig gekoppelt.
Die beiden Teilräume der Hydraulikzylinder 8, 9 oberhalb der kleineren wirksamen
Fläche der Differentialkolben 10, 11 sind mit einer Hydraulikflüssigkeit-Hochdruckquelle,
beispielsweise einem pneumatisch mit Druck beaufschlagten Hydraulikspeicher 14,
verbunden. Der Teilraum des Hydraulikzylinders 8 unterhalb der grösseren wirksamen
Fläche des Differentialkolbens 11 ist mit einem Auslass eines Hauptventils 15 verbunden.
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Das Hauptventil 15 weist einen Ventilkörper 16 mit einem Einlassventilkörper
17 und einem Auslassventilkörper 18 auf. Die Ventilkörper 17 und 18 sind über eine
Ventilstange starr miteinander verbunden. Der Auslassventilkörper 18 weist einen
Hydraulikkolben auf und ist in einer als Hydraulikzylinder ausgebildeten Ventilkammer
19 angeordnet, welche mit den Auslässen von Verstärkerventilen 20 und 21 in Verbindung
steht. Der Einlass des Hauptventils 15 ist mit dem Hydraulikspeicher 14 verbunden,
ein weiterer Auslass mit einem Niederdruckspeicher 22. Der Einlassventilkörper 17
ist derart angeordnet, dass er im drucklosen Zustand der Ventilkammer 19 den Weg
zwischen Einlass und den beiden Auslässen versperrt. Der mit dem Hydraulikzylinder
8 verbundene Auslass des Hauptventils 15 ist ferner über eine Drosselstelle 23 mit
der Ventilkammer 19 sowie mit einem Einlass 24 eines, Steuerblocks 25 verbunden.
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Das Verstärkerventil 20 ist einlasseitig mit dem Hydraulikspeicher
14 verbunden und weist eine als Hydraulikzylinder
ausgebildete Ventilkammer
26 mit einem federbelasteten und als verschiebbarer Kolben ausgebildeten Ventilkörper
27 auf. Diese Ventilkammer 26 ist mit dem Einlass eines magnetisch betätigbaren
Einschaltventils 29 und über eine Drosselstelle 28 mit dem Hydraulikspeicher 14
verbunden.
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Das Verstärkerventil 21 ist auslasseitig mit dem Niederdruckspeicher
22 verbunden und weist eine als Hydraulikzylinder ausgebildete Ventilkammer 30 mit
einem federbelasteten und als verschiebbarer Kolben ausgebildeten Ventilkörper 31
auf. Die Ventilkammer 30 ist mit den Einlässen zweier magnetisch betätigbarer Ausschaltventile
32, 33 und über eine Drosselstelle 34 mit dem Hydraulikspeicher 14 verbunden. Die
Drosselstellen 28, 34 haben die Aufgabe nach Betätigung eines der Ventile 29, 32
oder 33 und einer damit verbundenen kurzzeitigen Druckentlastung der Ventilkammern
26 oder 30 der Verstärkerventile 20 oder 21 mit einer gewissen Zeitverzögerung Hydraulik
flüssigkeit hohen Druckes nachzuführen.
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Die Auslässe des Einschaltventils 29 und der Ausschaltventile 32 und
33 sind mit dem Niederdruckspeicher 22 verbunden.
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Hydraulikspeicher und Niederdruckspeicher 22 sind über eine nicht
bezeichnete Pumpvorrichtung miteinander verbunden.
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Der Steuerblock 25 weist einen Ventilkörper 35 mit einem Einlassventilkörper
36, einem Auslassventilkorper 37 und einen Steuerventilkörper 38 auf. Die Ventilkörper
36 und 37 sind über eine Stange 39 und die Ventilkörper 37 und 38 über eine Stange
40 starr miteinander verbunden.
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Der Einlassventilkörper 36 ist ein Kolben und ist in einer als Hydraulikzylinder
ausgebildeten Ventilkammer 41 angeordnet. Auf der vom Einlass 24 abgewandten Seite
ist er von einer Feder 42 belastet und mit einem aus dem Steuerblock
25
herausgeführten Gestänge 43 verbunden. Die Ventilkammer 41 ist an ein Rückschlagventil
44 angeschlossen, dessen zwischen einem Ventilsitz und einem weiteren Anschluss
befindlicher Ventilkörper 45 von einer Feder 46 belastet ist und mit einer aus dem
Rückschlagventil 44 herausgeführten Betätigungsstange 47 verbunden ist. Diese Stange
ist derart angeordnet, dass sie von einer an der Kolbenstange 13 angebrachten Nocke
48 kurz vor Beendigung des Einschalthubes der Kolbenstange 13 den Ventilkörper 45
entgegen der Kraft der Feder 46 verschiebt und damit das Rückschlagventil 44 öffnet.
Die Ventilkammer 41 ist dann mit dem Hauptventil 15 verbunden. Auf der Betätigungsstange
47 ist ein Anschlag 49 derart angeordnet, dass dieser sich auf dem Gestänge 43 abstützt
und damit über die Betätigungsstange 47 das Rückschlagventil 44 gegen die Kraft
der Feder 46 geöffnet lässt, solange der Einlassventilkörper 36 gegen seinen Ventilsitz
gedrückt wird.
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Der Steuerventilkörper 38 ist ebenfalls als Kolben ausgebildet und
ist in einer mit dem Auslass des Verstärkerventils 20 und dem Einlass des Verstärkerventils
21 verbundenen und als im Hydraulikzylinder ausgebildeten (in der Figur nicht bezeichneten)
Ventilkammer angeordnet.
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Der Auslassventilkörper 37 ist in einer den Auslaß für den Niederdruckspeicher
22 enthaltenden Ventilkammer 50 vorgesehen und ist derart angeordnet, dass er im
drucklosen Zustand der den Steuerventilkörper 38 enthaltenden Ventilkammer den Auslass
für den Niederdruckspeicher 22 mit einem Anschluss 51 des Steuerblocks 25 verbindet,
welcher an den unterhalb der grösseren wirksamen Kolbenfläche des Differentialkolbens
11 befindlichen Teilraum des Hydraulikzylinders 9 angeschlossen ist. Bei Beaufschlagung
der den Steuerventilkörper 38 enthaltenden Ventilkammer mit Druck und bei drucklosem
Zustand der Ventilkammer 41 versperrt der Auslassventilkörper 37 hingegen den Weg
zwischen
Hydraulikzylinder 9 und Niederdruckspeicher 22.
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Die Wirkungsweise dieses Antriebes ist nun wie folgt: Zum Einschalten
des Hochspannungsleistungsschalters wird das Einschaltventil 29 betätigt. Mit einer
geringfügigen Verspätung von einigen Millisekunden beginnt dann die Bewegung der
Haupt- und Widerstandskontakte (Fig. 2).
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Hierbei wird der Niederdruckspeicher 22 über das Einlassventil 29
kurzzeitig mit der Ventilkammer 26 des Verstärkerventils 20 verbunden. Der in der
Ventilkammer 26 anstehende hohe Druck der Hydraulik flüssigkeit wird abgebaut und
der Ventilkörper 27 gegen die Kraft der Feder durch die auf die obere Fläche des
Ventilkörpers 27 wirkende hydraulische Kraft von seinem Ventilsitz bewegt, so dass
Hydraulik flüssigkeit hohen Drucks über das Verstärkerventil 20 in die Ventilkammer
19 des Hauptventils 15 und die mit dem Steuerventilkörper 38 versehene Ventilkammer
des Steuerblocks 25 geführt wird. Wegen entsprechender Bemessung der wirksamen Flächen
wirkt auf den im Ausschaltzustand von seinem Ventilsitz entfernten Auslassventilkörper
18 eine grössere Kraft als auf den Einlassventilkörper 17, so dass dieser von seinem
Ventilsitz abgehoben wird und Hydraulik flüssigkeit hohen Druckes in dem unter der
grösseren wirksamen Kolbenfläche befindlichen Teilraum des Hydraulikzylinders 8
sowie in die Ventilkammer 24 des Steuerblocks 25 eintreten kann.
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Der Differentialkolben 10 wird nach oben bewegt und somit die beiden
Hauptkontakte 1, 2 einander genähert (Kurvenabschnitt H1 in Fig. 2). Gleichzeitig
tritt Hydraulikflüssigkeit hohen Drucks auch in den unter der grösseren wirksamen
Kolbenfläche befindlichen Teilraum des Hydraulikzylinders 9 ein und bewegt den Differentialkolben
11 ebenfalls nach oben, wodurch die beiden Widerstandskontakte 3, 4 einander angenähert
werden (vgl. Kurvenabschnitt W1 in Fig. 2). Diese gleichzeitige Bewegung des Differentialkolbens
11 ist möglich, da der Einlassventilkörper 36
den Weg vom Einlass
24 zum Hydraulikzylinder 9 freigegeben hat. Diese Freigabe ist dadurch bedingt,
dass die wirksame Kolbenfläche des Steuerventilkörpers 38 so bemessen ist, dass
die auf den Steuerventilkörper 38 wirkende hydraulische Kraft grösser ist als die
Kraft der Feder 42 und die hydraulische Kraft, welche notwendig ist, um Teile des
in der Ventilkammer 41 befindlichen Hydraulikflüssigkeitsvolumens über das belastete
Rückschlagventil 44 aus dieser Kammer herauszuführen. Sobald der Einlass 24 freigegeben
ist, wird durch die ausströmende Hydraulikflüssigkeit hohen Druckes das Rückschlagventil
44 geschlossen.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Hydraulikzylinder 8, 9 so
bemessen, dass der bewegliche der beiden Widerstandskontakte 3, 4 zwar einen grösseren
Hub hat, jedoch schneller bewegt und zu einem früheren Zeitpunkt kontaktiert wird
als der bewegliche der beiden Hauptkontakte 1, 2. Zum Zeitpunkt tl kommen die Widerstandskontakte
3, 4 miteinander in Kontakt und der Hub des beweglichen Widerstandskontaktes verzögert
sich nun erheblich.
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Wenige msec später, nämlich zum Zeitpunkt t2 schlägt die Nocke 48
an der Betätigungsstange 47 an und bewirkt das Oeffnen des Rückschlagventils 44.
Hydraulikflüssigkeit hohen Drucks gelangt in die Ventilkammer 41 und verschiebt
wegen der im Verhältnis zum Steuerventilkörper.38 grösseren wirksamen Kolben fläche
des Einlassventilkörpers 36 den Ventilkörper 35 nach rechts. Der Weg vom Hauptventil
15 zum Hydraulikzylinder 9 ist nun unterbrochen, der Weg vom Hydraulikzylinder 9
zum Niederdruckspeicher 22 hingegen geöffnet, so dass der Druck in dem unter der
grösseren wirksamen Kolben fläche gelegenen Teilraum des Hydraulikzylinders 9 rasch
abgebaut wird, und der Differentialkolben 13 und damit der bewegliche Widerstandskontakt
seinen maximalen Hub erreicht und dann seine Bewegungsrichtung umkehrt (Kurvenabschnitt
W2 in Fig. 2). Im Zuge der weiteren nun nach unten gerichteten Bewegung des beweglichen
der beiden
Widerstandskontakte 3, 4 kommt die Nocke 48 wieder ausser
Eingriff mit der Betätigungsstange 47. Das Rückschlagventil 44 bleibt jedoch weiter
geöffnet, da sich der Anschlag 49 wegen des nach rechts verschobenen Ventilkörpers
35 auf dem Gestänge 43 abstützt.
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Zum Zeitpunkt t3 schliessen die Hauptkontakte 1, 2 und einige msec
später zum Zeitpunkt t4 öffnen die Widerstandskontakte 3, 4. Da die Ventilkammer
19 über die Drosselstelle 23 mit Hydraulikflüssigkeit hohen Druckes versorgt wird,
bleibt das Hauptventil 15 geöffnet und bleiben damit die Hauptkontakte 1, 2 eingeschaltet
(vgl. Kurvenabschnitt H3 in Fig. 2).
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Beim kurzzeitigen Einschalten des Hochspannungsleistungsschalters
(CO-Schaltung) wird noch vor Erreichen des maximalen Hubes der Hauptkontakte 1,
2 ein Ausschaltbefehl an eines der beiden Ausschaltventile 32, 33 gegeben. Hierbei
wird der Niederdruckspeicher 22 über eines der beiden Ausschaltventile 32 oder 33
kurzzeitig mit der Ventilkammer 30 des Verstärkerventils 21 verbunden. Der in der
Ventilkammer 30 anstehende hohe Druck der Hydraulik flüssigkeit wird abgebaut und
der Ventilkörper 31 gegen die Kraft der Feder durch die auf die obere Fläche des
Ventilkörpers 31 wirkende hydraulische Kraft von seinem Ventilsitz bewegt und so
über das Verstärkerventil 21 eine Verbindung von der Ventilkammer 19 zum Niederdruckspeicher
22 geschaffen.
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In der Ventilkammer 19 wird der hierbei anstehende hohe Druck abgebaut
und der Ventilkörper 16 nach unten bewegt.
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Der Einlassventilkörper 17 sperrt den Weg vom Hydraulikspeicher 17
zum Hydraulikzylinder 8 ab, der Auslassventilkörper 18 gibt gleichzeitig den Weg
für die im Hydraulikzylinder 8 sowie in der Ventilkammer 41 des Steuerblocks 25
befindliche Hydraulik flüssigkeit zum Niederdruckspeicher 22 frei. Der Differentialkolben
10 und damit der bewegliche der beiden Hauptkontakte 1, 2 kehren ihre Bewegungsrichtung
um und bewegen sich nun nach unten (Kurvenabschnitt H2 in Fig. 2).
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Da beim Ausschalten nicht nur die Ventilkammer 19 sondern auch die
den Steuerventilkörper 38 enthaltende Ventilkammer druckentlastet wird, kann die
Feder 42 den Weg vom Hydraulikzylinder 9 zum Niederdruckspeicher 22 offen halten,
so dass sich der Differentialkolben 11 ungehindert nach unten bewegen kann und damit
die Widerstandskontakte 3, 4 vollständig geöffnet werden können (Kurvenabschnitt
W3 in Fig. 2), so dass sich wieder die in Fig. 1 angegebenen Positionen der Kontakte
und der Ventile ergeben.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das im Ausführungsbeispiel
beschriebene beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, die Nocke 48 statt an
der Kolbenstange 13 an der die Position der Hauptkontakte 1, 2 anzeigenden Kolbenstange
12 anzubringen. Ist die Betätigungsstange 47 nun so ausgebildet, dass sie zum Zeitpunkt
t2 mit der an der Kolbenstange 12 angebrachten Nocke in Eingriff gelangt, so lässt
sich das Rückschlagventil 44 analog dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
ansteuern.
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Darüber hinaus ist es möglich, das Rückschlagventil 44 in den Steuerblock
25 zu integrieren, etwa dadurch, dass eine Aussenwand 52 der Ventilkammer -42 als
Ventilsitz des Ventilkörpers 45 ausgebildet ist und das Gehäuse des Rückschlagventils
44 trägt. Der Ventilkörper 45 ist dann vorteilhafterweise als aus dem Gehäuse herausgeführter
Tauchkolben ausgebildet, auf dessen aus dem Gehäuse herausgeführten äusseren Kolbenboden
die Betätigungsstange 47 angebracht ist.
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Bei entsprechender Abstimmung der Bewegungsabläufe der beweglichen
Hauptkontakte 1, 2 und der beweglichen Widerstandskontakte 3, 4 zueinander - etwa
durch entsprechende Bemessung der zugeordneten Kolben-Zylinder-Anordnungen 6, 7
- ist die Erfindung nicht nur auf das Betätigen von Einschaltwiderständen beschränkt,
sondern kann der betätigte Widerstand auch als Ausschaltwiderstand oder sogar auch
als Ein- und Ausschaltwiderstand ausgebildet sein.
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